综述：数字技术在头颈肿瘤重建手术中的应用与进展

《Holistic Integrative Oncology》：Application and progress of digital techniques in head and neck oncology reconstructive surgery

这篇综述介绍了数字技术如 VSP、CAD/CAM 等在头颈肿瘤重建手术中的应用及进展。

　　

一、引言

头颈部区域是人体最为复杂的解剖结构之一，众多器官、腺体和血管聚集于此，使得该区域易发生肿瘤。头颈部手术是治疗该区域肿瘤的主要手段，不仅要切除肿瘤，还需对术后的缺损部位进行修复和重建，以恢复正常生理功能。然而，头颈部复杂的解剖结构、保护邻近关键结构的需求以及保留原有功能的要求，使得头颈部重建手术极具挑战性，是一项复杂且高风险的操作，对医生的专业技能和经验要求极高。

近几十年来，虚拟手术规划（VSP）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、导航、手术机器人、人工智能以及患者特异性植入物（PSIs）等数字外科技术，已成为临床标准实践的重要组成部分。计算能力的提升、软件应用的增强、手术器械的进步以及 3D 打印技术的发展，都推动了这些技术的演变。在肿瘤切除术后存在广泛缺损的复杂病例中，计算机辅助方法优势显著。在重建手术的各个领域，数字外科技术在手术模拟、个性化操作以及提高治疗的精度和安全性方面都发挥着关键作用。

二、CAD/CAM 和虚拟手术规划（VSP）

计算机辅助手术已有数十年历史，其早期研究可追溯到 20 世纪 80 年代。近年来，VSP 和 CAD/CAM 等技术的发展，显著提高了头颈部重建手术的精度和效率。

VSP 的优势日益凸显，它能提高手术准确性、操作效率和整体治疗效果。多项研究记录了 VSP 在肿瘤重建手术中的应用。术前规划的计算机辅助技术不断进步，界面更加友好，在需要精确规划和执行的重建手术中越来越受欢迎。尤其是在上下颌重建手术中，VSP 技术至关重要，因为手术精度对于恢复面部对称性、外观和功能起着决定性作用。上下颌结构形状不规则且独特，相似形状的供体部位有限，使得手术难度加大，因此在这类手术中应充分考虑采用 VSP 技术。

各种 CAD/CAM 工具，如用于截骨、切除和预钻孔的轮廓模型和手术导板，实现了从虚拟规划到实际手术的无缝衔接。轮廓模型是头颈部重建手术中常用的 CAD/CAM 技术，通过 3D 打印技术制作出患者特异性的解剖模型，可精确复制患者的骨骼结构，用于钛板等硬件的塑形，相比术中塑形，能更清晰地观察骨解剖结构，避免软组织和出血的干扰。手术导板也是 CAD/CAM 技术的常见应用，利用患者骨骼结构周围的负空间生成定制模板，手术时能准确匹配特定骨段，便于精确切割或钻孔。在颅面外科手术中，手术导板作为真实患者解剖结构的复制品，通过模型模拟和准确的术前准备，提高了手术效率和精度。

计算机辅助技术在头颈部重建手术中的应用越来越广泛，涵盖从手术规划的解剖模型到手术导板和植入物的制作。其主要优点包括缩短手术时间、改善手术效果和减少辐射暴露。随着对 CAD/CAM 技术的关注度不断提高，有望推动该技术在手术领域，尤其是头颈部手术中的进一步发展。

三、导航

近年来，术中导航系统在肿瘤重建手术中得到应用，有助于提高手术精度和优化治疗效果。手术规划的进展推动了 “导航” 系统的发展，使外科医生能够获取更多信息，为患者提供更好的治疗。

通过导航，手术前可精确确定手术切缘和缺损体积的三维数据。导航技术能够准确计算缺损体积，帮助医生制作与切除后缺损部位精确匹配的患者特异性钛植入物。为了达到最佳对称性，医生可以通过评估缺损与对侧正常部位的差异，考虑使用软组织移植物，尤其是脂肪移植物。研究表明，与传统手术方法相比，计算机辅助技术和手术导航能显著提高上颌骨骨瓣的三维定位准确性。利用该技术，医生可以打印出与患者和缺损部位匹配的钛植入物，精确填充切除后的缺损。

在重建下颌骨缺损时，CAD/CAM 和术中导航能明显提高最终手术精度，同时保持下颌角和髁突的位置。然而，现有的导航技术存在一定局限性。其无法持续跟踪动态运动，只能为医生提供单一的静态参考点。在需要进行双侧手术的情况下，导航技术也受到限制。软组织变形以及术前和术中图像的体积差异，也阻碍了导航技术在软组织矫正手术中的应用。此外，设备成本高昂和学习曲线陡峭等非技术因素，也限制了导航技术的应用。因此，需要进一步研究和技术创新，克服这些局限性，使导航技术成为手术实践中不可或缺的工具，而非仅仅是辅助手段。

四、增强现实（AR）/ 混合现实（MR）

传统导航系统中，显示器位于手术区域外，医生在操作时需要精确协调手部动作，但缺乏直接的视觉反馈。而术中查看屏幕时，由于视线固定在屏幕上，医生在将器械放置在患者身上时，难以与手术区域精确对齐，这给手术增加了难度，可能影响这类技术的应用。

AR 和 MR 技术通过可穿戴的抬头显示器，在手术过程中实时将虚拟物体的三维图像叠加在患者的解剖结构上。这使医生能够在不转移视线的情况下，保持对手术区域的视觉接触，并利用预先规划的信息进行手术引导，无需使用物理切割导板。

在 AR 领域，附着在医生可穿戴头显上的追踪器可将虚拟图像转换为实际可见的图像，医生无需转移视线即可专注于手术部位。AR 技术的发展还包括自动无标记配准和立体追踪，减少了对传统导航系统中侵入性标记的依赖。MR 技术作为一种新兴的数字技术，在医学等多个领域展现出巨大潜力。它利用放射学断层图像在物理空间中生成虚拟 3D 物体，提供沉浸式体验，打破了 2D 环境的限制，实现与物体的交互。MR 技术融合了物理和虚拟环境，使医疗数据能够在计算机生成的环境中快速处理和可视化。

AR 技术的最佳应用方式是使用移动或头戴式显示器，让医生能够直接在视野中查看患者数据，而无需依赖传统屏幕。通过对数据的操作、模拟和 3D 全息可视化，AR 技术有望提高手术精度，减少手术相关并发症，保障患者安全。其多样化的应用还便于整合患者信息，提高患者对医疗建议的依从性。此外，MR 技术的应用为传统医学教育带来了创新的教学方法，通过整合多模态教学技术，推动以学生为中心的主动学习模式的发展。不过，目前评估混合现实技术在头颈部重建手术中疗效的前瞻性随机试验较少。尽管存在这一局限，MR 技术在推进头颈部重建手术方面仍具有巨大潜力。

五、手术机器人

不同外科专业的医生越来越多地采用微创和机器人技术。经口机器人手术（TORS）是头颈部重建手术的一项新进展，它至少使用三个机器人手臂，能够通过口腔进行双手操作。TORS 在全球范围内的接受度不断提高，其应用日益广泛，数据显示其治疗效果优于传统手术方法。TORS 手术切口较小，在美学方面对患者更具吸引力。然而，对于重建外科医生来说，这也带来了难题，因为较小的切口使得皮瓣植入和微血管吻合的操作空间变小。

在 TORS 切除后解剖空间受限的区域进行重建时，机器人辅助手术可能是一种可行的解决方案。机器人手术能够实现精确的缝合操作，尤其是在咽侧壁和舌根部位，有助于建立水密吻合，并保护带状肌，降低渗漏或瘘管形成的风险。头颈部机器人手术的主要结果显示，其在疾病管理、术后功能恢复和减少手术并发症方面表现良好。不过，要确定机器人手术平台在头颈部肿瘤治疗、重建手术及其他适应症中的应用规范，还需要进一步精心设计研究，推动现有手术机器人技术的发展，并期待未来的技术创新。

六、患者特异性植入物（PSIs）

个性化医疗已成为当代医疗领域的重要话题。美国国家癌症研究所将个性化医疗定义为利用个体的基因组成、蛋白质和环境因素来治疗和管理疾病，这一理念摒弃了传统针对大众的标准化治疗模式，转向更具针对性的个体化治疗。近年来，数字 CAD/CAM 技术的发展以及对头颈部复杂解剖结构的深入了解，使得个性化医疗原则能够融入到头颈部重建手术中。

PSIs 在头颈部重建手术中应用广泛，尤其是在颞下颌关节（TMJ）全关节置换和颌面骨骼重建等手术中。用于头颈部重建手术的 PSIs 主要由钛、聚甲基丙烯酸甲酯、羟基磷灰石、聚醚醚酮、环氧丙烯酸酯羟基磷灰石、聚丙烯 - 聚酯和未指定的丙烯酸基树脂等材料制成。利用 CAD/CAM 技术，医生可以为每位患者定制切割导板和重建板，精确高效地修复复杂的颌面缺损，无论是否使用血管化骨瓣。

借助计算机辅助手术（CAS），医生可以在手术室中制定精确的虚拟计划，用于骨段的获取和放置，以修复缺损。这些计划通过精细导航骨段，实现对原始骨骼结构的最佳恢复。以往的研究探索了切割模板、快速原型颅骨模型和手术导航系统等设备的开发，以辅助骨段按照虚拟计划进行导航。然而，实现精确重建的关键环节仍然是钢板固定程序。

与传统钢板不同，患者特异性手术钢板采用三维设计，能够与每位患者独特的骨骼轮廓完美契合。传统钢板需要手动塑形以适应骨骼解剖结构，而患者特异性钢板则可实现骨段的精确对齐和定位，提高重建的准确性。此外，患者特异性钢板无需弯曲，使骨重建手术更加高效和标准化。

七、人工智能

人工智能（AI）在未来医疗领域的重要性不言而喻，其在医疗保健领域的应用迅速扩展，目前主要集中在计算机视觉应用，用于疾病诊断和预后评估。研究表明，将 AI 融入计算机辅助重建手术流程，能够提高手术效率。AI 在确定手术切缘方面也有望取得进展，在保证肿瘤治疗安全性的同时，兼顾功能恢复。目前，AI 辅助的患者特异性植入物设计正在发展中，通过将 AI 增强的增强现实技术融入计算机辅助手术，有望进一步推动其发展。

生成对抗网络（GANs）自 2014 年问世以来，已成为 AI 领域的前沿技术，具备创新性 AI 设计能力。GANs 在下颌医学形态学领域展现出应用潜力，尤其是在创建符合自然下颌形态和健康解剖特征的参考模型方面。

预计在未来几年，AI 算法的快速发展将推动外科手术的数字化转型。需要通过更多的案例研究来验证 AI 分割的有效性。未来的研究还应探索将 AI 融入现有的计算机辅助头颈部重建手术流程中，以及其对改善临床结果的影响。

八、结论

数字技术在提高头颈部肿瘤重建手术的精度和效果方面具有巨大潜力，能够减少手术中的不确定性和人为误差，尤其是在复杂的肿瘤手术场景中。各种 CAD/CAM 制造的工具，为从虚拟规划到手术实施的过程提供了便利。术中导航技术的应用，提高了重建手术的效率和精度。虽然机器人手术和导航技术并未从根本上改变传统的重建技术，但它们使得某些肿瘤手术能够以微创的方式进行。AI 驱动的自动分割技术，有望优化计算机辅助手术中的术前虚拟规划和术后结果验证，形成一个不断优化手术流程的反馈循环。PSIs 则为全数字化手术流程提供了可能，有助于骨合成和骨元件的定位。

值得注意的是，本文所讨论的技术只是该领域快速发展和扩展的一小部分。目前，该领域的成果研究受到专业要求高和获取先进设备困难的限制。尽管初步研究结果令人鼓舞，但在所有领域都需要进一步研究，以便更有效地评估这些技术与现有技术和方法相比的疗效、成本效益、可及性限制以及长期患者预后情况。